小型回流式冰风洞试验参数测量与标定方法研究

发布时间：2020-05-28 01:27

【摘要】：在自然环境中寻找液态水含量、平均容积直径等云滴参数符合适航审定要求的结冰气象条件是十分困难且耗时的。结冰风洞可通过制冷系统和喷雾系统模拟所需的结冰气象条件,从而以较低的成本和较高的安全性实现在真实气象环境下较难完成的试验。冰风洞试验是开展飞机结冰数值模拟和防/除冰系统验证研究的基本手段,在军用与民用航空中起着越来越重要的作用。而对结冰风洞试验参数测量及标定方法进行研究是正确合理开展结冰风洞试验的基础。南京航空航天大学结冰风洞是一座闭式回流结冰风洞,其设计和建造过程中存在很多科学及工程问题。本文以此IWT结冰风洞为研究对象,开展了结冰风洞流场品质校测,研究了冰风洞中LWC、MVD值的测量与标定方法,并提出一种基于超声回波法的结冰厚度测量方法。本文的主要研究内容和取得的成果如下:结合风洞流场品质校测内容,依据国军标GJB1179-91《高速风洞和低速风洞流场品质规范》要求,借鉴常规风洞流场校测方法,对南航IWT结冰风洞中已安装喷雾架的空风洞进行了非结冰条件状态下试验段最大风速、动压稳定系数、轴向静压梯度、试验段截面速度场不均匀性、试验段截面气流方向场均匀性、湍流度分布、风洞能量比等流场品质开展校测工作,得到了空风洞流场品质。研究了水滴在流动过程中参数变化的计算方法。针对小型回流闭式冰风洞,基于拉格朗日方法建立了液滴在冰风洞中运动的气-液混合流动模型,获得了单颗液滴自喷嘴喷出后的运动及传热传质特性。根据液滴参数变化规律提出了液滴运动所需整流段长度的计算方法,通过自主编程计算分析了液滴直径、温度及来流速度等参数对液滴飞行过程及所需整流段长度的影响。研究结果表明液滴最终直径、温度及液滴运动所需整流段长度与来流参数变化均有明显关系,研究结果为后续冰风洞设计和试验提供一定的理论指导。针对小型冰风洞MVD测量,利用激光粒度仪对试验段液滴颗粒直径进行测量,同时基于旋转多圆柱法进行MVD值标定。根据旋转多圆柱结冰特性,对二维旋转圆柱霜状冰结冰过程进行编程计算,结合试探逼近思想编制出旋转多圆柱水滴参数分析软件。用试验测量数据与旋转多圆柱法标定结果进行对比,测量结果与标定结果吻合较好,进而可实现对液滴平均容积直径的快速测量,为冰风洞水滴参数MVD的测量校验提供技术保障。针对南航IWT结冰风洞,采用海绵集水法进行LWC测量,并利用冰刀法进行标定对比,对冰刀收集效率采用欧拉法进行求解计算。经试验测量发现,集水法和冰刀标定法在误差允许范围内,二者数据吻合较好。重点研究了超声回波法测量结冰厚度原理,利用超声回波法进行结冰厚度测量研究工作,探索将超声回波法应用于冰风洞结冰厚度测量的可行性。研究了明冰与霜冰在超声探测中的区别且可进行明冰与霜冰的区分探测,并在冰风洞试验中成功实现了结冰厚度实时测量。最后对全文工作进行总结与展望,为后续深入研究阐明方向。
【图文】：

飞机结冰,云层

南京航空航天大学博士学位论文第一章绪论背景象有过冷水滴的云层中飞行时，部件迎风表面不断有过冷水滴撞击便形成了结冰现象。适航审定标准中的飞机结冰包线范围在 6.7 k包线位于结冰气象条件范围内，极易遭遇结冰气象条件的威胁[1]，飞行实践表明，，飞机结冰量、结冰范围及结冰外形与云层温度、范围这四个气象参数有着密切直接的关系[1-3]，国外学者也开展了行了测量。

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因此大部分飞机飞行包线位于结冰气象条件范围内，极易遭遇结冰气象条件的威胁[1]，如图 1.1 和图1.2 所示。大量飞行实践表明，飞机结冰量、结冰范围及结冰外形与云层温度、液态水含量、水滴直径及云层范围这四个气象参数有着密切直接的关系[1-3]，国外学者也开展了大量工作，对结冰气象参数进行了测量。图 1.1 云层形成与飞机结冰图 1.2 飞机在云层结冰的一般规律
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V211.74

【参考文献】